1.2. Принципи роботи нжмд

Жорсткий диск являє собою невелику пласку коробку із блискучою металевою кришкою зверху й електронною платою з мікросхемами, пам'яттю й різними сполучними пристроями знизу. Як відомо він призначений для збереження даних, і наслідки його виходу з ладу найчастіше виявляються катастрофічними. Для правильної експлуатації або модернізації комп'ютера необхідно добре уявляти собі, що собою являє накопичувач на жорсткому диску.

Основними елементами накопичувача є кілька круглих алюмінієвих або некристалічних склоподібних пластин. На відміну від гнучких дисків (дискет), їх не можна зігнути – звідси і з'явилася назва жорсткий диск. У більшості пристроїв вони незнімні, тому іноді такі накопичувачі називаються фіксованими (fixed disk). У накопичувачах на жорстких дисках дані записуються і зчитуються універсальними головками читання/запису з поверхні обертових магнітних дисків, розбитих на доріжки і сектори (512 байт кожен). У накопичувачах звичайно встановлюється кілька дисків, і дані записуються на обох сторонах кожного з них. У більшості накопичувачів є щонайменше два або три диски (це дозволяє виконувати запис на чотирьох або шести сторонах), але існують також пристрої, що містять до 11 і більше дисків. Однаково розташовані доріжки на всіх сторонах дисків поєднуються в циліндр. Для кожної сторони диска передбачена своя доріжка читання/запису, але при цьому всі головки змонтовані на загальному стержні. Тому головки не можуть переміщатися незалежно одна від іншої і рухаються тільки синхронно.

Жорсткі диски обертаються набагато швидше, ніж гнучкі. Частота їхнього обертання навіть у більшості перших моделей складала 3 600 об/хв, тобто в 10 раз швидше, ніж у накопичувачі на гнучких дисках, і до останнього часу була майже стандартом для жорстких дисків. Але в даний час частота обертання жорстких дисків зросла. Наприклад, у портативному комп'ютері Toshiba диск обсягом 3,3 Гбайт обертається з частотою 4 852 об/хв , але вже існують моделі з частотами 5 400, 5 600, 6 400, 7 200, 10 000 і навіть 15 000 об/хв . Швидкість роботи того або іншого жорсткого диска залежить від частоти його обертання, швидкості переміщення системи голівок і кількості секторів на доріжці.

При нормальній роботі жорсткого диска головки читання/запису не повинні торкатися дисків. Але при вимиканні живлення і зупинці дисків вони опускаються на поверхню. Під час роботи пристрою між головкою і поверхнею обертового диска утворюється так звана «повітряна подушка», (дуже малий повітряний зазор). Якщо в цей зазор потрапить порошина – відбудеться струс, головка зіштовхнеться з диском, який обертається "на повному ходу". Якщо удар буде досить сильним, відбудеться поломка головки. Наслідки цього можуть бути різними: від втрати декількох байтів даних до виходу з ладу всього накопичувача. Тому в більшості накопичувачів поверхні магнітних дисків легують і покривають спеціальними змащеннями, що дозволяє пристроям витримувати щоденні "зльоти" і "приземлення" голівок, а також більш серйозні потрясіння.

Доріжка - це одне "кільце" даних на одній стороні диска. Доріжка запису на диску занадто велика, щоб використовувати її як одиницю збереження інформації. У багатьох накопичувачах її ємність перевищує 100 тис. байт, і відводити такий блок для збереження невеликого файлу марнотратно. Тому доріжки на диску розбивають на нумеровані відрізки – сектори. Кількість секторів може бути різною в залежності від щільності доріжок і типу накопичувача. Наприклад, доріжка гнучких дисків може містити від 8 до 36 секторів, а доріжка жорсткого диска – від 380 до 700 . Сектори, створювані за допомогою стандартних програм форматування, мають ємність 512 байт, але не виключено, що і ця величина може мінятися. Нумерація секторів на доріжці починається з одиниці, на відміну від голівок і циліндрів, відлік яких ведеться з нуля. Наприклад, дискета HD (High Density) формату 3,5 дюйми (ємністю 1,44 Мбайт) містить 80 циліндрів, пронумерованих від 0 до 79, у дисководу встановлені дві головки (з номерами 0 і 1), і кожна доріжка циліндра розбита на 18 секторів (1–18).

При форматуванні диска на початку і кінці кожного сектора створюються додаткові області для запису їхніх номерів, а також інша службова інформація, завдяки якій контролер ідентифікує початок і кінець сектора. Це дозволяє відрізняти не форматовану і форматовану ємності диска. Після форматування ємність диска зменшується, і з цим потрібно змиритися, оскільки для забезпечення нормальної роботи накопичувача деякий простір на диску повинен бути зарезервований для службової інформації. На початку кожного сектора записується його заголовок (або префікс - prefix portion), по якому визначається початок і номер сектора, а наприкінці - висновок (або суфікс - suffix portion), у якому знаходиться контрольна сума (checksum), необхідна для перевірки цілісності даних. Крім зазначених областей службової інформації, кожен сектор містить область даних ємністю 512 байт. При низькорівневому (фізичному) форматуванні всім байтам даних привласнюється деяке значення, наприклад F6h.

Виходить, що жорсткий диск як і будь-який інший блоковий пристрій зберігає інформацію фіксованими порціями, називаними блоками (кластерами). Розходження між сектором і кластером у тім, що сектор - це мінімальна фізична одиниця диска, а кластер - мінімальна логічна одиниця диска. Кластер будучи найменшою порцією даних має своя унікальна адреса складається із трьох цифр - 1. циліндр, 2. головка, 3. сектор ( cylinder, head, sector ). Нумерація секторів починається з одиниці, а нумерація циліндрів ( доріжок ) і головок з нуля. Обмін інформацією жорстким диском з іншими пристроями відбувається вказівкою адреси кластера інформації як параметр команди, що видається контролеру. Даний спосіб адресації позначається абревіатурою CHS, але у зв'язку з обмеженнями в BIOS з'явився новий спосіб адресації LBA (logical block addressing ). Блок на диску стали описувати одним параметром - лінійною адресою блоку, що однозначно пов'язаний з його CHS адресою й транслюється в BIOS по формулі lba = (cyl*HEADS + head)*SECTORS + (sector-1). Подальше збільшення обсягів жорстких дисків привело до того, що розроблювачам довелося придумувати зовсім новий розширений інтерфейс BIOS , несумісний зі старими операційними системами ( наприклад DOS, що не бачить більше 8 Гбайт ). Сучасні системи взагалі не користуються BIOS, а використовують власні драйвера для роботи з диском.

Логічне розміщення операційних систем на жорсткому диску. Адресний простір жорсткого диска розділяється на частини, що називаються розділами (partitions). Кожен розділ являється начебто контейнером для файлової системи, під якою з погляду диска розуміється система розмітки блоків для зберігання файлів. Отримуючи новий жорсткий диск, ми одержуємо диск без розділів і файлової системи. Підключивши диск до комп'ютера, заходимо в BIOS, шукаємо AUTODETECTION HDD (авторозпізнавання жорстких дисків), хоча на сучасних ПК ця процедура відбувається автоматично без вашої участі. Завантажуємося із завантажувальної дискети, виконуємо команду A:/FDISK, створюємо основний розділ і форматуємо його командою A:/FORMAT C. Після того як розділ створений необхідно зробити його завантажувальним (активним) розділом FDISK A. Ця команда запише в перший блок розділу невелику програму для завантаження операційної системи. Даний порядок дій призначений для розмітки жорсткого диска під застарілу файлову систему FAT32, а при установці Windows XP диск бажано використати NTFS, до того ж система сама розмітить жорсткий диск і зробить основний розділ активним розділом. Вся інформація про розбивку й розділи жорсткого диска зберігається в найперший блок жорсткого диска за адресою – циліндр 0, головка 0, сектор 1, і називається головним завантажувальним записом – Master Boot Record (MBR). Крім таблиці описів розділів (partition table) в MBR перебуває програма початкового завантаження, що запускається BIOS'ом і передає керування операційній системі й спеціальній сигнатурі MBR з контрольним числом, по її наявності BIOS визначає правильність завантаження першого блоку. Коротко, ця вся процедура завантаження виглядає так: після успішного самотестування основних пристроїв комп'ютера, BIOS завантажує на згадку перший блок жорсткого диска. Запускається програма завантаження, переглядає таблицю розділів і вибирає з них активний, після цього завантажує перший блок цього розділу й передає туди керування. Якщо не знайдена таблиця розділів або активний розділ, на екран виводитися повідомлення – Failed System Boot Disk .